Вклад агроэкосистем в формирование бюджета углерода на территории Иркутской области Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 631.433.3

ВКЛАД АГРОЭКОСИСТЕМ В ФОРМИРОВАНИЕ БЮДЖЕТА УГЛЕРОДА НА ТЕРРИТОРИИ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ

© 2009 Л.В. Помазкина, Ю.В. Семенова, А.В. Стеренчук

Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, г. Иркутск

e-mail: ivp@sifibr.ikr/ru Поступила 31.07.2008

На основе длительных (1994-2007 гг.) исследований в агроэкологическом мониторинге, выполненных в агроэкосистемах на агросерых почвах, анализируются особенности трансформации углерода под влиянием антропогенных воздействий, включая техногенное загрязнение. Приведены среднемноголетние показатели эмиссии СО2 за вегетацию и за год. Показано усиление эмиссии под влиянием загрязнения почв, а также его роль в формировании баланса углерода в агроэкосистемах. Впервые дана предварительная оценка вклада агроэкосистем в формирование бюджета углерода на территории Иркутской области.

Ключевые слова: агроэкосистемы, бюджет углерода, Иркутская область

Выполнение международных соглашений по ограничению выбросов СО2 в атмосферу требует объективной информации, связанной с оценкой интенсивности трансформации углерода в наземных экосистемах, которую в природных условиях довольно сложно получить. Изменения природной среды и климата связывают чаще с промышленной эмиссией парниковых газов, однако все более очевидной становится роль антропогенного преобразования природных экосистем. В частности, необходимы данные длительных мониторинговых исследований, оценивающие поток СО2 из почв, его количественные изменения под влиянием антропогенных факторов, включая техногенное загрязнение, и баланс углерода в агроэкосистемах, причем в конкретных почвенных и климатических условиях.

В настоящее время имеется первая приблизительная оценка эмиссии диоксида углерода почвенным покровом России, не учитывающая соотношение площадей различных наземных экосистем, а также особенностей землепользования в рамках одной биоклиматической зоны, почвенной разности и др. [1, 2]. Авторы отмечают также, что в целом показатели эмиссии СО2 из почв примерно в 8 раз превышают промышленные выбросы. В связи с этим отмечается необходимость получения объективных параметров для решения отмеченных проблем, в том числе касающейся климатических изменений. Последняя от-

Любовь Владимировна Помазкина, заведующая лабораторией агроэкологии; Юлия Викторовна Семенова, аспирант; Анастасия Васильевна Стеренчук, аспирант.

личается множеством неопределенностей, что также диктует важность получения корректных и достоверных экспериментальных результатов.

В Сибирском институте физиологии и биохимии растений (СИФИБР СО РАН) в режиме агроэкологического мониторинга проводились многолетние (1994-2007 гг.) исследования в агроэкосистемах на агросерых почвах лесостепи, составляющих основной пахотный фонд Иркутской области. Исследуемые почвы близки по свойствам и плодородию, но различаются характером и уровнем техногенного загрязнения, вследствие приуроченности земледелия к промышленно развитым районам. В настоящее время в зоне аэровыбросов химического производства («Саянскхимпласт») суммарное содержание тяжелых металлов (ТМ) в пахотном слое почв соответствует критерию «допустимое загрязнение» [3], а в зоне выбросов алюминиевых заводов (например, ИркАЗ-РУСАЛ), в которых преобладают фториды, в зависимости от удаленности от источника загрязнения содержание водорастворимых фторидов достигает 1,5-10 ПДК [4]. Как показывает мониторинг, площадь загрязненных почв со временем расширяется. Загрязнение почв сопровождается изменением их физико-химических свойств [3-5]. Так, преобладание в твердых выбросах алюминиевого производства фторида натрия способствует осолонце-ванию и связанному с этим разрушению почвенной структуры, изменению кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных свойств, увеличению подвижности гумусовых веществ (Пг) и снижению при-

родного почвенного потенциала (ППП). Степень подвижности фторидов в загрязняемых почвах повышается, а буферность по отношению к ним, напротив, снижается [4, 6, 7].

Негативные изменения свойств почв под действием техногенного загрязнения влияют на функционирование других компонентов и в целом агроэкосистемы (почва-

микрооргани-змы-растения-атмосфера). Происходят нарушения в метаболизме полевых культур, прежде всего азотном [3, 4, 8], и накопление поллютантов в растениеводческой продукции [4, 9]. Существует риск накопления нитратов, особенно в овощных культурах. Значительного содержания фтора в зерне и клубнях картофеля не отмечается, отчасти благодаря локализации его в корнях («корневой барьер» [4, 8]). Выявленное повышение содержания ртути и фтора в фито-массе является в основном следствием воздушного загрязнения. Заметим, что нормативы загрязнения растениеводческой продукции (ПДК и ОДК) можно считать еще недостаточно разработанными и не всегда объективными, поскольку они существуют чаще как временные. Поддержание продуктивности культур на техногенно загрязненных почвах возможно путем оптимизации минерального питания и разработки приемов ремедиации [3, 4, 10].

Многолетние наблюдения в оперативном (шаг 7-14 сут) мониторинге в течение вегетации на незагрязненных (условный контроль) и загрязненных почвах за содержанием микробной биомассы (Смикр) и эмиссией СО2 выявили нарушения в функционировании микробного комплекса [3, 4, 11-13]. В условиях загрязнения потребность микроорганизмов в субстрате повышается, о чем свидетельствует усиление удельной дыхательной активности (С-СО2/Смикр). Так, в опытах на загрязненных ТМ почвах показатель достигал 0,78, а на загрязненных фторидами -0,98 мг/г.ч, тогда как на незагрязненных он ниже в 1,5-2 раза. Происходит снижение иммобилизации углерода микробной биомассой и одновременно повышение эмиссии СО2 и, соответственно, газообразных потерь, которые на 30-50% выше, чем на незагрязненных почвах. По средним за 10 лет данным, ежегодная суммарная за вегетационный сезон эмиссия С-СО2 в посевах пшеницы на загрязненных фторидами почвах была выше, чем на загрязненных ТМ (211 против 174 г/м2). Газообразные потери углерода в пару

за год достигали, соответственно, 4,7% и 3,2% от общего содержания углерода в почвах. Например, в загрязненной фторидами (6 ПДК) почве в пару суммарная за год эмиссия составляла 163 г/м2, а в незагрязненной 128 г/м2. Как показано в табл. 1, в пару показатель (Смикр.:Сорг, %), характеризующий долю микробной биомассы в расчете на единицу углерода и рассматриваемый как его обновление в почве, в незагрязненной выше (2,4%), чем в загрязненной. Потери углерода, напротив, выше в загрязненной почве. Компенсация потерь, связанных с эмиссией СО2, за счет обновления органического вещества, в загрязненной почве была значительно меньше (38%), что указывает на снижение в ней способности микробного сообщества поддерживать сбалансированность процессов минерализация< = >иммобилизация.

Таблица 1

Активность минерализации и иммобилизации

углерода в агроэкосистемах на агросерой почве в пару (в среднем за 10 лет)

Г -Г ^микр. • ^орг. * % г-го2, Компен-

Почва /о (обновление) % от Гобщ. (потери) сация потерь Гобщ.> %

% от Собщ

Незагряз- 2,4 4,4 55

ненная

Загрязненная (Рвод. 1,8 4,7 38

6ПДК )

Учитывая данные многолетнего мониторинга, проводили сравнительную оценку вклада агроэкосистем в поступление СО2 в атмосферу в зависимости от загрязнения почвы. Так, если промышленные выбросы СО2 ИркАЗа составляли 11 тыс. т [14], то эмиссия СО2 из агроэкосистем, находящихся в зоне загрязнения, превышала их в 3 раза. В зоне загрязнения «Саянскхимпласт» превышение оказалось выше в 13 раз. Причем если путем технологической модернизации выбросы предприятий можно снизить, то агроэкоси-стемы на загрязняемых почвах остаются постоянным источником эмиссии СО2 в атмосферу. Следовательно, необходимо учитывать не только промышленные выбросы, но и их негативное воздействие в агроэкосистемах, разумеется корректируя не только колебание объема промышленных выбросов, но и площадь загрязненных почв и др. Однако очевидно, что техногенное загрязнение пахотных почв, способствующее повышению эмиссии СО2, необходимо учитывать при оценке

бюджета углерода в регионе, наряду с промышленными выбросами, как и оценку поступления СО2 в атмосферу из других наземных экосистем. Возможно, такая необходимость потребуется в связи с предполагаемым введением квот на выбросы.

Как показали исследования [3, 4, 6, 7, 10, 15], техногенное загрязнение способствует усилению минерализации органического вещества почвы и, как следствие, повышению поступления в атмосферу не только СО2, но и газообразных соединений азота, что имеет не менее негативное биосферное последствие. Нарушения в циклах азота в агроэкосистемах, обусловленные повышением лабильности почвенного гумуса и, соответственно, микробиологической трансформацией органического вещества, связаны в основном с усилением минерализации (М) почвенного азота, причем независимо от характера загрязнения. В агроэкосистемах на загрязненных почвах в посевах яровой пшеницы величина М достигала 11-16% от общего азота в почве, тогда как в незагрязненных - 5-7%. Нетто-минерализация (Н-М) азота, связанная с отчуждением (вынос с урожаем и газообразные потери), на загрязненных ТМ и фторидами почвах составляла 70-75%, тогда как на незагрязненных - 56-61% от М. Повышение минерализации азота на загрязненных почвах, с одной стороны, обеспечивает потребность полевых культур, а с другой -способствует высоким газообразным потерям. Напротив, происходящее одновременно снижение реиммобилизации (РИ) азота, благодаря чему в почве поддерживается метаболический фонд и ресурс, способствует формированию высоко дефицитного баланса. Отсюда, как правило, повышение незамкнутости циклов углерода и азота, а также невозможность выполнения требований сестайнин-га, как основы земледелия в условиях современной экологической обстановки.

Экспериментальные материалы, полученные в многолетних исследованиях, позволили сравнительно корректно оценить вклад агро-экосистем в бюджет углерода Иркутской области. Для этого была необходима информация о суммарной эмиссии СО2 из почв за год. Как выявлено, за безморозный период (апрель-октябрь) она примерно равна потоку СО2 за год (ошибка 5-10%), вероятно, вследствие резкой континентальности климата. За вегетационный сезон эмиссия в пару достигала 70%, а в посевах - 75% от годовой. Ба-

ланс углерода в агроэкосистеме рассчитывали по формуле С = ЧПП - У - РД [16, 17].

Чистую первичную продукцию (ЧПП) учитывали по суммарной аккумуляции углерода надземной фитомассой и корнями пшеницы, а отчуждение с урожаем (У) по выносу углерода зерном и соломой. Ризосферное дыхание (РД) рассчитывали как разность между эмиссией С-СО2 за год и дыханием корней, которое принимали за 1/3 от суммарной за вегетационный сезон эмиссии. Оценку вклада агроэкосистем в бюджет углерода проводили с учетом площади пахотных почв и урожая зерновых культур, преобладающих в структуре региональных севооборотов.

Баланс углерода в агроэкосистеме зависит от ассимиляции С-СО2 растениями в процессе фотосинтеза и эмиссии, вследствие ризо-сферного дыхания. Формирование его обусловлено комплексом природных и антропогенных факторов, влияющих на продукционные и деструкционные процессы. За годы исследований средний биологический урожай зерна яровой пшеницы в полевых опытах при использовании минеральных удобрений (N60P60K60) достигал 339-340 г/м2, тогда как без удобрений - 179-204. ЧПП была, соответственно, 600-647 и 338-378 г/м2. Затраты углерода на формирование зерна и соломы составляли 22-25% и 39-44% от ЧПП, а поверхностных остатков и корней 9-10% и 2427%. Аккумулирование углерода фитомассой пшеницы в 2-3 раза превышало эмиссию С-СО2 за счет ризосферного дыхания. Отчуждение углерода надземной массой колебалось в пределах 60-65% от ЧПП, а поступление в почву с растительными остатками было в 1,52 раза ниже, что способствовало формированию дефицита его баланса, особенно при низком урожае. В чистом пару баланс связан только с РД, поэтому даже при высокой продуктивности севооборота, присутствие пара увеличивает дефицит в бюджете углерода на определенной площади пашни.

В качестве примера рассмотрим формирование баланса углерода в агроэкосистемах с яровой пшеницей на агросерых незагрязненной и загрязненной фторидами (6 ПДК) почвах (табл. 2). За годы исследований урожай зерна был, соответственно, 247 и 267 г/м2. Различия показателя ЧПП оказались также невелики, как и отчуждение углерода с надземной массой. Поступление углерода с растительными остатками на обеих почвах было примерно в 1,5 раза меньше, чем его отчуж-

дение зерном и соломой. Баланс углерода в агроэкосистеме зависел от соотношения между поступлением его в почву с послеуборочными остатками и корнями и потерями в результате ризосферного дыхания. В опытах на обеих почвах газообразные потери С-СО2 не компенсировались поступлением углерода с растительными остатками, особенно на загрязненной почве, где дефицит был вдвое выше, чем на незагрязненной.

Результаты исследований использованы для оценки вклада агроэкосистем в бюджет углерода на территории Иркутской области, которая проведена впервые и в первом приближении, поскольку учитывает только площади занятые посевами зерновых культур и паром, а также средний по области урожай зерновых в 2005 г. (12,5 ц/га). Вследствие определенных допусков, не учитывающих тип почв и долю их в общей площади пахотного фонда, возделывание разных полевых культур, структуру севооборотов и другое, ошибка расчетов составляет примерно 20%. Аккумулирование углерода зерновыми культурами (ЧПП с посевной площади) достигало 1059 тыс. т, что выше суммарной эмиссии С-СО2 из почв (847 тыс. т). Если учитывать, что примерно 60% ЧПП отчуждается с урожаем, то поступление (возврат) в почву углерода с растительными остатками равно всего 425 тыс. т, что обуславливает высокий дефицит (210 тыс. т) в бюджете углерода. Дефицит существенно увеличивается за счет парования почв (до 237 тыс. т). Кстати, доля пара в структуре севооборотов в настоящее

Таблица 2

Баланс углерода в агроэкосистемах с посевом яровой пшеницы на агросерых почвах, г/м2

(в среднием за 7 лет)

Почва Суммарное аккумулирование (ЧПП) Отчуждение зерном и соломой (У) Поступлениев почву с растительными остатками Ризосферное дыхание (РД) Баланс

Незагрязненная 451 276 175 196 -20

Загрязненная (Рвод. 6 ПДК ) 471 287 184 225 -41

Таблица 3

Расчетный баланс углерода в агроэкосистемах на агросерых почвах в зависимости от продуктивности яровой пшеницы, г/м2

Урожай зерна, ц/га Суммарное аккумулирование (ЧПП) Отчуждение с урожаем (У) Поступление в почву с растительными остатками Ризосферное дыхание (РД) Баланс

7 167 91 75 185 -110

16 308 184 124 185 -61

24 434 267 167 185 -18

27 482 298 183 185 -2

Таким образом, в регионе очевидна необ- приятий, позволяющих снижать негативный ходимость разработки неотложных меро- биосферный эффект, связанный с высокой

время неоправданно высокая. В итоге расчетная эмиссия С-СО2 достигала 1083 тыс. т/год, а дефицит в бюджете - 447,3 тыс. т. Результаты показывают, что на территории области в агроэкосистемах более половины поступающего в атмосферу углерода не компенсируется возвратом с растительными остатками в почву. Следовательно, в условиях низкой культуры земледелия агроэкосистемы могут быть источником СО2 в атмосферу. С учетом техногенного загрязнения пахотных почв дефицит в бюджете углерода в агроэко-системах на территории области может быть выше.

Необходимость оценки вклада агроэкоси-стем, как и других наземных экосистем, в региональный бюджет углерода очевидна. В последнее десятилетие вследствие снижения культуры земледелия и недостаточного использования минеральных и органических удобрений продуктивность зерновых культур в Иркутской области снизилась. В отдельных районах урожай зерна не превышает 7-10 ц/га. Как показали расчеты (табл. 3), при таком урожае ЧПП составляет 167, а возврат углерода с растительными остатками 75 г/м2, что не компенсирует потока С-СО2 в атмосферу. Отсюда возникает высокий дефицит в балансе углерода. При урожае зерна 24 ц/га ЧПП увеличивается, как и поступление углерода в почву с растительными остатками (167 г/м2 ). В результате дефицит углерода меньше. Для формирования бездефицитного баланса углерода урожай зерновых культур должен быть не менее 27 ц/га.

эмиссией СО2 из пахотных почв и потерями гумуса. Снижение дефицита в балансе углерода возможно путем повышения продуктивности посевов за счет экологической безопасности земледелия, систематического применения минеральных и органических удобрений, внедрения оптимальных севооборотов, сокращения площади чистого пара и др. Особого внимания заслуживает разработка способов и технологий ремедиации техноген-но загрязняемых почв. В рамках решения экологических проблем состояния окружающей среды, соответствующих Киотскому соглашению, необходимо учитывать как прямые промышленные выбросы диоксида углерода, так и вклад агроэкосистем в поступление его в атмосферу.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кудеяров В.Н. Почвенные источники углекислого газа на территории России // Круговорот углерода на территории России. М., 1999.

2. Кудеяров В.Н., Курганова И.Н. Дыхание почв России: анализ базы данных, многолетний мониторинг, общие оценки // Почвоведение. 2005. № 9.

3. Помазкина Л.В., Котова Л.Г., Лубнина Е.В. Биогеохимический мониторинг и оценка режимов функционирования агроэкосистем на техногенно загрязняемых почвах. Новосибирск: Наука, 1999.

4. Помазкина Л.В., Котова Л.Г., Лубнина Е.В., Зорина С.Ю., Лаврентьева A.C. Устойчивость агроэкоси-стем к техногенному загрязнению фторидами. Иркутск: ИГ СО РАН, 2004.

5. Котова Л.Г., Помазкина Л.В., Зорина С.Ю., Лаврентьева A.C., Засухина Т.В. Свойства техногенно загрязненных почв и трансформация азота в агроэкоси-стемах // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. 2006. № 2.

6. Помазкина Л.В., Лаврентьева A.C., Арефьева И.А., Соколова Н.А. Циклы азота в агроэкосистемах с

картофелем на загрязненных фторидами серых лесных почвах Прибайкалья // Агрохимия. 2004. № 4.

7. Помазкина Л.В., Котова Л.Г., Прокофьев А.Ю., Лаврентьева A.C., Арефьева И.А. Азотный режим в разных типах пахотных почв, загрязненных фторидами алюминиевого производства // Агрохимия. 2005. № 12.

8. Котова Л.Г., Помазкина Л.В., Репина О.В., Прокофьев А.Ю. Влияние загрязнения фторидами серых лесных почв на продуктивность и минеральное питание яровой пшеницы // Агрохимия. 2002. № 12.

9. Помазкина Л.В., Лубнина Е.В. Мониторинг загрязнения пахотных почв и полевых культур в зоне выбросов Иркутского алюминиевого завода // Агрохимия. 2002. № 2.

10. Помазкина Л.В., Зорина С.Ю., Котова Л.Г., Засухина Т.В. Использование вермикомпоста для мелиорации загрязненных фторидами алюминиевого производства серых лесных пахотных почв Байкальского региона // Агрохимия. 2006. № 11.

11. Лубнина Е.В., Помазкина Л.В., Семенова Ю.В. Эмиссия СО2 в агроэкосистемах на техногенно-загрязненных почвах // Почвоведение. 2006. № 3.

12. Помазкина Л.В., Лубнина Е.В., Лесных Н.П. Эмиссия СО2 в разных типах почв лесостепи Прибайкалья// Почвоведение. 1998. № 7.

13. Помазкина Л.В., Лубнина Е.В. Сезонная и многолетняя динамика содержания углерода микробной биомассы в пахотных почвах лесостепи Прибайкалья // Почвоведение. 2002. № 2.

14. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2004 г. Иркутск, 2004.

15. Помазкина Л.В., Зорина С.Ю., Засухина Т.В., Петрова И.Г. Качественный состав гумуса серых лесных пахотных загрязненных фторидами почв Прибайкалья // Почвоведение. 2005. № 5.

16. Титлянова A.A., Тесаржова М. Режимы биологического круговорота. Новосибирск: Наука, 1991.

17. Ларионова A.A., Розанова Л.Н., Евдокимов И.В., Ермолаев A.M. Баланс углерода в естественных и антропогенных экосистемах лесостепи // Почвоведение. 2002. № 2.

CONTRIBUTION OF AGROECOSYSTEMS TO CARBON BUDGET FORMATION AT THE TERRIOTORY OF IRKUTSK REGION

© 2009 L.V. Pomazkina, Yu.V. Semenova, A.V. Sterenchuk

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SD RAS, Irkutsk

Based on long-term (1994-2007) studies in agroecological monitoring performed in agroecosys-tems on agro-gray soils, there is proposed an analysis of carbon transformation under the impact of anthropogenic activities, technogenic pollution included. There are presented average-multi-annual parameters of CO2 emission during the vegetation season and throughout the year, its enhancement due to soil pollution is demonstrated, as well as its role in the formation of carbon balance in agroecosystem. For the first time there was conducted preliminary evaluation of agroecosystems contribution to carbon budget formation at the territory of Irkutsk region.

Key words: agro ecosystems, budget of carbon, Irkutsk area